L'amélioration de la prédiction de l'ampleur du réchauffement climatique requiert une mesure de la concentration en CO2 dans l'atmosphère à l'échelle globale. Une mesure satellitale pourrait combler ce besoin. Le CNES a développé un instrument de nouvelle génération adapté aux applications de sondage atmosphérique. Cet instrument, un spectromètre par transformation de Fourier statique, présente une masse et des dimensions réduites par rapport aux spectromètres classiques. On étudie l'application du concept à la mesure du CO2, à l'aide d'une maquette au sol représentative d'un instrument embarqué. Celle-ci mesure le spectre solaire à travers l'atmosphère dans une bande d'absorption du CO2 autour de 1,6 µm. La concentration en CO2 est déduite de la profondeur des raies d'absorption. On présente le concept ainsi que sa mise en oeuvre expérimentale, tant pour la conception de l'instrument que pour son étalonnage et le traitement des données. Le contenu en information de la mesure est évalué. On présente la procédure d'inversion des mesures. On estime par simulation que l'erreur d'inversion est de l'ordre de ±0,6 ppm pour un objectif de ±1 ppm. Les résultats d'une campagne de mesures atmosphériques sont enfin donnés. Ils mettent en évidence les bonnes performances de l'instrument : on atteint des précisions de mesure compatibles avec l'objectif. La campagne révèle également une sensibilité de l'instrument à des paramètres autres que le CO2. Les déformations du spectromètre, dues aux variations thermiques du laboratoire, pourraient par exemple être à l'origine d'erreurs de mesure significatives. Des améliorations simples permettant d'augmenter la précision de mesure sont proposées.

On présente une méthode de mesure et de contrôle du nombre d'ondes émises par une diode laser accordable. Apres une analyse de la stabilité en fréquence de la diode on montre comment les interférences sont utilisées pour asservir le nombre d'ondes a la différence de marche stabilisée de l'interféromètre et obtenir des spectres échantillonnés.

Nous avons etudié la réduction des fonctions carbonyles de dicétals dilactames qui sont engendrées à partir d'hydroxyamidoacétals. Ces derniers sont obtenus à partir de béta-aminoalcools. Cette réduction nous a permis d'isoler 6 dicétals amino-lactames (composés monoréduits) et 6 dicétals diamines (composés diréduits), homologues dioxygénés des cyclames. Nous avons montré que la facilité de la réduction dépend de la nature des substituant et de la stéréochimie cis ou trans des groupements OMe: les dérivés cis étant plus faciles à réduire que les dérivés trans. Les dicetals amino-lactames sont obtenus à des concentrations faibles( 3 à 14x10-3M) et les dicétals diamines à des concentrations plus élevées (15 à 30 x 10-3M). L'étude des propriétés complexantes des différentes molécules synthétisées vis-à-vis du radioélément technetium-99m (99mTc) montre que seuls les dicétals diamines se prêtent à une complexation avec des pourcentages maximum de 18%. Les études d'accès aux composés dimères ont permis d'isoler 5 bis-dicétals amino-lactames et 2 bis-dicétals diamines , homologues des bicyclames à activité anti-virale.

Les caractéristiques structurales et les interactions intra et/ou intermoléculaires non-covalentes jouent un rôle primordial dans l'activité des molécules d'intérêt biologique, notamment lors de la reconnaissance moléculaire entre un médicament et son récepteur. Par ailleurs, on peut connaître par les études en phase gazeuse (sans les effets du solvant) les propriétés intrinsèques des systèmes moléculaires. Des calculs de chimie quantique élaborés peuvent ainsi être comparés aux résultats des expériences pour en tirer des informations précises. L'équipe AMIBES tente ainsi de décrire les structures de peptides, d'oligonucléotides ou de complexes d'intérêt pharmaceutiques. Pour cela, nous prenons appui sur deux techniques expérimentales complémentaires, la spectroscopie IRMPD et la spectrométrie de mobilité ionique, dont les résultats sont comparés avec des simulations. Dans ce travail de thèse, j'ai d'abord testé les prédictions d'une méthode QM/MM en ce qui concerne le calcul des spectres IR d'espèces d'intérêt biologique isolées. J'ai ensuite utilisé cette méthode pour simuler les spectres IR de brins de la protéine amyloïde β en phase gazeuse. Il ressort de ces études que leur structure secondaire varie selon l'état de protonation et le solvant dans lequel ils sont dissous: un solvant polaire favorise les structures globulaires, alors qu'une constante diélectrique plus basse permet de conserver une structure en hélice α. Je me suis également intéressé aux changements de structure induits par la complexation d'un antibiotique, la vancomycine, avec un modèle de son récepteur. En mode positif, le site de fixation de celui-ci est différent de celui révélé par la cristallographie, mais les interactions spécifiques responsables de la grande constante d'affinité en solution sont conservées dans le complexe déprotoné.

Cette étude a pour but l'étude de l'os minéralisé et de sa matrice par spectrométrie d'absorption infrarouge. L'os est un tissu conjonctif qui constitue, avec le cartilage, le squelette. Les os assurent trois fonctions: (1) support mécanique et site d'attachement du muscle pour la locomotion, (2) protectrice pour les organes vitaux. et la moelle osseuse et (3) métabolique : Réserve ionique pour tout l'organisme, spécialement en calcium et en phosphate. Les constituants fondamentaux des tissus conjonctifs sont les cellules et la matrice extracellulaire. Cette dernière est particulièrement abondante dans l'os et se compose de fibres de collagène, de protéines non collagéniques et de substances non protéiniques. Cette matrice a la possibilité de se calcifier. Anatomiquement on peut distinguer deux types d'os dans le squelette : les os plats (côte, mandibule, iliaque ... ) et les os longs (tibia, fémur, humérus) qui dérivent de deux types distincts d'histogénèses (intramembranaire et endochondrale) bien que le développement et la croissance des os longs comportent les deux types à la fois.

Cette thèse porte sur le développement d'un appareil couplant la spectrométrie de masse avec la spectrométrie de mobilité ionique et la spectroscopie laser, dans le but d'effectuer des analyses conformationnelles sur des édifices biomoléculaires. La construction, la mise au point et l'optimisation de l'appareil font l'objet de la première partie de ce mémoire. En particulier, il s'est agi de déterminer les caractéristiques de l'appareil (résolution, fréquence de fonctionnement…) par une série de tests sur des systèmes modèles. Dans un deuxième temps, nous avons effectué des mesures de spectroscopie d'action sur des conformères sélectionnés en mobilité. Nous avons étudié la relation entre la conformation et les propriétés optiques d'un système en mesurant le photo-détachement d'électron de divers conformères sélectionnés. Dans le cadre de la spectroscopie d'action, nous avons utilisé les possibilités nouvelles offertes par l'appareil pour réaliser des expériences de photo-isomérisation cis-trans sur des complexes non-covalents. Sur cet exemple, nous avons montré l'intérêt de cet appareil pour mesurer des spectres d'action de photo-isomérisation. Et enfin, nous avons montré la possibilité de réaliser des mesures de spectroscopie d'action basée sur le Transfert d'Energie par Résonance de Förster (FRET), en phase gazeuse, résolu en conformation / This thesis deals with the development of a new instrument coupling mass spectrometry, ion mobility spectrometry and laser spectroscopy. The aim is to perform structural analysis on biomolecular systems.The first part of this thesis focuses on the construction, the development and the optimization of the set-up. The main point was to determine the features of the set-up (resolution, working frequency) by series of tests with model systems.In a second phase, we did conformer resolved action spectroscopy. We studied the relation between the conformation and the optical properties of one system by measuring photo- electron detachment on different selected conformers. In the framework of action spectroscopy we used the new capacity of the set-up to perform cis-trans photo-isomerization on non-covalent complexes. We showed with this example interest of the use of this instrument to measure photo-isomerization action spectra. We finally showed the possibility to perform conformer resolved action spectroscopy measurements based on Förster Resonance Energy Transfer (FRET) in the gas phase

La spectrométrie de masse est devenue un outil indispensable pour la recherche en protéomique, notamment grâce au développement récent de nouveaux spectromètres de masse comme l’Orbitrap et de nouvelles méthodes de dissociation. La stratégie « bottom-up » (analyse des mélanges de peptides protéolytiques) est la plus utilisée par son efficacement et sa simplicité par rapport à la stratégie top-down (analyse des peptides plus longs ou des protéines intactes), mais cette dernière permet une caractérisation plus complète des isoformes de protéines et des modifications post-traductionnelles.Les méthodes de dissociation utilisant des photons, comme la photodissociation dans le domaine ultra-violet (UVPD) et la dissociation multiphotonique infrarouge (IRMPD), ont reçu une grande attention comme approches alternatives aux méthodes de dissociation par collision. L'absorption du photon UV à haute énergie peut être « diluée » sur l'ensemble du peptide ou de la protéine et provoque une fragmentation étendue du squelette peptidique (liaisons C-C), tandis que les photons IR à faible énergie augmentent progressivement l'énergie interne et dissocient préférentiellement les liaisons amide (C-N) les plus labiles.Cette thèse est centrée sur le développement de méthodes et les applications pour une caractérisation structurale de biomolécules par des méthodes d'activation utilisant des photons. L'intérêt de combiner des photons infrarouges à faible énergie et des photons UV à haute énergie dans un spectromètre de masse Orbitrap, pour la caractérisation de petites protéines, a été évalué. En outre, la dissociation infrarouge multiphotonique a été implémentée dans un piège à ions électrostatique afin d’étendre les méthodes de fragmentation aux macromolécules de très haut poids moléculaires dans le domaine mégadalton. L'une des principales avancées de cette thèse a été d'adapter ces méthodes de spectrométrie de masse aux objets biomoléculaires, allant des petits peptides (dans la gamme de masse de kilodalton) à des fibres de protéines entières (dans la gamme de masse de mégadalton) / The structural characterization of proteins often required them to be fragmented into small units containing only few amino acids. In bottom-up approach, proteins are cleaved into small peptides by enzyme then these peptides are subjected to further fragmentation in a collision cell of a tandem mass spectrometer. However, in top-down approach, proteins can directly be dissociated (without enzyme) into small fragments by collision, electron and photon-driven dissociations. Photon-based activation methods including ultraviolet photodissociation (UVPD) and infrared multiphoton dissociation (IRMPD) have received great attention as an alternative to electron-driven and collision induced dissociation methods. Absorption of the high-energy UV photon is dispersed over the whole peptide or protein and stimulates extensive C?Ca backbone fragmentation while the low-energy IR photons gradually increases the internal energy and thus favorably dissociates the most labile amide (C?N) bonds. This thesis focuses on the method development and applications for characterizing biomolecules by photon-based activation methods. The interest of combining high-energy UV photons and low-energy IR photons in an Orbitrap mass spectrometer, for protein and post-translationally modified peptide characterization, has been evaluated. Moreover, infrared multiphoton dissociation has been implemented in a gated electrostatic ion trap to push forward the limit of fragmentation methods to large megadalton ions. One of the main breakthroughs in this thesis is the ability to adapt these method developments and applications to biomolecular objects ranging from small peptides (in kilodalton mass range) to entire protein fibrils (in megadalton mass range)

Ce travail de thèse porte sur développement de méthodes en spectrométrie de masse structurale pour l’analyse de protéines recombinantes et de leurs complexes associés. L’objectif central s’est porté sur des développements méthodologiques en échange hydrogène/deutérium couplé à la spectrométrie de masse (HDX-MS). Les techniques biophysiques de caractérisation structurale à haute résolution comme la cristallographie ou la RMN se heurtent régulièrement à des problèmes de productions de cristaux, de taille de complexes analysables ou encore de quantité de matériel nécessaire importante. Le développement de méthodes spécifiques HDX-MS a permis de réaliser une caractérisation structurale de systèmes protéiques variés, et réfractaires aux approches haute résolution. La combinaison de cette approche à différents outils de MS structurale est aussi illustrée, et montre tout son intérêt pour l’obtention d’informations à résolution augmentée. / This thesis work focuses on development of structural mass spectrometry methods for the analysis of recombinant proteins and their associated complex. The central objective has focused on the development of hydrogen/deuterium exchange coupled to mass spectrometry approaches (HDX-MS). The high resolution biophysical techniques for structural characterization such as crystallography or NMR regularly face problems of crystal productions, size analyzable complex or quantity of material required. The development of specific HDX-MS methods allowed the characterization of various, and refractory protein systems to high resolution approaches. The combination of this approach with complementary structural MS tools is also illustrated, and shows its interest to obtain increased resolution information.

Les produits pétroliers formulés actuels tels que les carburants et les lubrifiants doiventrépondre à des cahiers des charges bien précis pour garantir les meilleures performances,fiabilité et longévité des moteurs tout en limitant l’émission de polluants. Ce travail de thèse porte sur le développement de méthodologies d’analyse pour l’identification d’additifs polymériques dans les gazoles et la caractérisation des polyalphaoléfines. L’analyse des additifs a été effectuée par couplage de la chromatographie liquide, de la spectrométrie de mobilité ionique et de la spectrométrie de masse (LC-IMSMS), l’ionisation étant obtenue par electrospray (ESI). Après ajustement des paramètres expérimentaux, les différents additifs ont été identifiés dans les gazoles sans préparation d'échantillon. Le couplage de la chromatographie liquide aux conditions critiques (LCCC) avec la spectrométrie de masse a également été évalué dans l’objectif d’améliorer la séparation des additifs de la matrice gazole. La caractérisation des polyalphaoléfines (PAO) a été réalisée par couplage IMS-MS associé à la source ASAP (sonde d’analyse de solide à pression atmosphérique) ou la source APPI (photoionisation à pression atmosphérique). En ASAP, outre les ions de pyrolyse, des espèces intactes peuvent être détectées pour les PAO de faible grade. Dans le cas des PAO de haut grade, seuls des ions fragments pyrolytiques ont été détectés, permettant toutefois d’identifier les alpha-oléfines utilisées pour produire les PAOs. En APPI, l’utilisation de solvants halogénés et de toluène, a permis d’observer des espèces intactes pour les PAOs de haut grade via la formation d’adduits halogénés. Le couplage IMS-MS a permis de différencier les polyalphaoléfines par l’étude des temps de dérive et des largeurs de signaux IMS. / Nowadays, formulated petroleum products such as fuels and lubricants must respond toprecise technical requirements to ensure the best performance, reliability and longevity ofengines while limiting the emission of pollutants. This thesis work focused on the development of analytical methodologies for the identification of polymeric additives in diesel fuels and the characterization of polyalphaolefins. The additive analysis was performed by coupling of liquid chromatography, ion mobility spectrometry and mass spectrometry (LC-IMS-MS), the ionization was performed by electrospray (ESI). After adjusting the experimental parameters, all additives were identified in the diesel fuel without sample preparation. The coupling of liquid chromatography at the critical condition chromatography (LCCC) with mass spectrometry was also evaluated in order to improve the separation of additives from the diesel fuel matrix. The characterization of polyalphaolefins (PAO) was carried out by IMS-MS with ASAP (atmospheric solids analysis probe) or APPI (atmospheric pressure photoionization) sources. With ASAP, in addition to pyrolysis ions, intact species were detected for low PAO grades. In the case of high PAO grades, only pyrolytic fragments were detected, yet it was possible to identify the alphaolefins used to produce the PAOs. In APPI, the use of halogenated solvents and toluene, allowed to observe intact species for high PAO grades through the formation of halogenated adducts. With IMS-MS coupling polyalphaolefins were differentiated the by the study of drift times and full width at half maximum.

L’introduction de composé d’origine anthropogénique (produits pharmaceutiques, et de soin personnel, retardateur de flammes, plastifiants, etc.) par les stations de traitement des eaux usées municipales ainsi que le devenir de ses composés dans l’environnement est une problématique d’intérêt mondial. L’élimination de ses contaminants d’intérêt émergent des eaux usées s’effectue au niveau des stations de traitement des eaux usées qui, pour la plupart, ne sont pas conçues pour réaliser cette tâche. En effet, celles-ci présentent des niveaux très variables d’efficacité de dégradation/transformation de la plupart des contaminants émergents ce qui laisse dans l’effluent de ces stations des concentrations habituellement inférieures à quelques microgrammes par litres d’au moins plusieurs centaines de contaminants. Quelques études ont démontrés que l’exposition chronique à ces concentrations environnementales de différents CIE donne lieu à des effets toxiques chez le méné à tête de boule (effondrement de la population) et le gammare (diminution de l’activité). Cependant, les méthodes classiques utilisées pour l’évaluation de la toxicité ne sont pas suffisamment sensibles pour déceler des effets sublétaux aux concentrations environnementales observées dans les milieux recevant ces rejets de station d’épuration. Bien entendu, il est impossible de concevoir un procédé unique capable d’éliminer la totalité des contaminants d’intérêt émergent (présents ou futurs) des eaux usées. Il est donc nécessaire de créer des approches capables de prioriser et de cibler les composés qui doivent être éliminés. Ce projet de recherche met de l’avant l’hypothèse qu’une étude métabolomique ciblé serait capable de répondre à cette problématique. L’approche utilisée vise à ajouter un ou plusieurs points de terminaison (fluctuation des métabolites) au test de toxicité aiguë des effluents déjà effectué sur la puce d’eau (Daphnia magna) en quantifiant des molécules essentielles à la survie de cette espèce (ecdystéroïdes et acides rétinoïques). Les daphnies sont des modèles idéaux pour ce type d’étude puisqu’il s’agit d’organismes essentiels du zooplancton dans le monde entier. L’espèce D. magna est retrouvée dans l’hémisphère nord dans les lacs, rivières et étangs temporaires, elle se reproduit rapidement, est facile à cultiver et se reproduit par parthénogénèse. La quantification des ecdystéroïdes et acides rétinoïques aux concentrations observées chez la puce d’eau (picogramme par individus) est typiquement atteinte par dosage radio-immunologique (radioimmunoassay). Cependant, ce type de méthode ne permet pas d’identifier spécifiquement l’analyte ciblé, mais plutôt la somme de toutes molécules produisant une réaction immunologique similaire à celui-ci appelée "équivalent immunologique" et les résultats obtenus dépendent de l’anticorps, de la préparation effectuée et du lot de l’anticorps utilisé. Ce manque de sélectivité et variabilité des données obtenues pose problème pour la comparaison inter-laboratoires de résultats et a donc forcé le développement d’une nouvelle méthode analytique. Le présent document décrit le développement et la validation d’une méthode de quantification par chromatographie liquide couplée à un spectromètre de masse permettant d’atteindre des limites de quantification allant de 210 à 380 pg mL-1 pour trois ecdystéroïdes (20-hydroxyecdysone, ecdysone et ponasterone A) et de 5 ng mL-1 pour la somme des isomères de l’acide rétinoïque. La quantification de ces analytes aux faibles concentrations observées chez la puce d’eau a nécessité l’optimisation des paramètres instrumentaux, de la préparation d’échantillon et l’optimisation des conditions chromatographiques. Au final, la 20-hydroxyecdysone a pu être quantifiée à 19 ± 8 pg ind-1 pour les adultes (475 ± 200 pg mL-1, n=3) et à 3.6 ± 1.0 pg ind-1 pour les juvéniles (360 ± 10 pg mL-1, n=3), mais seulement détectée chez les néonates à 0.19 pg ind-1 (19 pg mL-1, n=3). L’ecdysone a également pu être détectée à 1.8 pg ind-1 chez les spécimens de taille adulte (180 pg mL-1, n=3). Le projet suivant vise à augmenter les connaissances sur l’effet de contaminants d’intérêt émergents sur l’environnement et sur le métabolisme de la puce d’eau D.magna ainsi que fournir une méthode potentiellement capable d’évaluer le risque d’exposition à des concentrations environnementales et permettre de prioriser les composés à être évaluer.